오빠차

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 디자인 개선과 연료전지를 이용한 도로분진흡입차량 설계

영문 : Design of Road Dust Collective Vehicles using fuel cell with design improvement

과제 팀명

오빠차

지도교수

장*일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 심*혁

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 이*환 (팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 이*지

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 이*경

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 미세먼지는 우리나라 대표적인 환경문제 중 하나로, 국민 대다수가 위험에 노출되기 때문에 대책이 시급하다. 이에 따라 미세먼지 마스크 무료 배포, 차량 2부제, 운행제한, 대중교통 무료 이용 등의 여러 정책이 시행되었다. 이러한 정책 중 하나인 도로청소의 수도권 대기질 개선 효과는 매우 큰 것으로 나타났으며(2016, 이희철), 우리는 본 과제에서 도로 분진 흡입차량의 개선을 통해 미세먼지 의 제거량 및 저감량 향상과 시민 만족도 향상을 도모하고자 한다.

◇ 현재 도로 분진 흡입차량은 차량 자체의 운행에서 미세먼지가 발생한다. 이는 휘발유 또는 경유로 운영되기 때문이다. 본 설계에 는 수소연료전지를 이용해 이를 해결함과 동시에 미세먼지 제거량 을 향상시키고자 한다. 또한 수소연료전지의 친환경적인 측면 또한 홍보하고자 한다.

◇ 실시간으로 대기 중의 미세먼지 농도를 확인하기 위해서는 개인적으로 어플리케이션을 이용해 확인 할 수밖에 없다. 또한 특정 미세먼지 농도가 어느 정도의 위해성을 가지는 지 잘 알고 있는 사람은 많지 않다. 따라서 차량 외부에 실시간 대기 중 미세먼지 농도를 시각화하고 QR code를 통해 정보 전달 및 이벤트를 진행하여 시민 만족도 향상을 도모한다.

개발 과제의 배경

◇ 최근 대기 중 미세먼지의 발생은 주요 환경 문제로 인식되고 있다. 2016년도 서울의 평균 미세먼지 (PM10)는 48μg/m3, 초미세먼지(PM2.5)는 26μg/m3로 다른 선진국에 비하여 미세먼지에 의한 대기 오염 실태가 매우 높게 나타나고 있다.(2016, 대기환경연보) 2014년 PM2.5로 인한 호흡기계 관련 총 진료비는 약 280억에 달한다.(2016, 이희철) 이에 따라 미세먼지에 대한 사회적 관심도 또한 점 차 증가하고 있는 추세이다.

◇ 사회적 관심의 증가를 바탕으로 정부는 미세먼지 관리 종합대책을 추진하여 국내 배출 감소, 국제 협력, 민감 계층 보호 등의 노력을 하고 있다.(환경부, 2017)

◇ 2015년 기준 국내 서울 미세먼지 발생량은 PM2.5 기준 약 2,580톤이었으며, 이 중 도로이동오염원 이 약 490톤으로 20%를 차지하고 있다.(2015, 국립환경과학원) 이러한 대도시의 경우 경유차와 같 은 도로이동오염원이 1순위 배출원이다.(2017, 환경부) 그러므로 대도시에서는 미세먼지 마스크 무 료 배포, 차량 2부제, 운행제한, 대중교통 무료 이용, 도로 청소 등의 여러 도로이동오염원 관련 정 책들이 시행되었다.

◇ 이러한 정책 중 하나인 도로청소의 수도권 대기질 개선 효과는 매우 큰 것으로 나타났으며(2016, 이희철), 환경부의 미세먼지 관리 종합대책에 따르면 도로 청소차량을 2017년 기준 1008대에서 2022년까지 두 배 확충해 2100대를 마련할 예정이다.(환경부, 2017)

◇ 도로분진흡입차량의 경우 대부분 경유를 이용하고 보조엔진을 이용하기 때문에 미세먼지가 발생한 다. 이와 같은 이유로 분진을 배출하는 분진 흡입차라는 문제점이 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 기존의 도로 분진 흡입차량은 휘발유 또는 경유로 운영되기 때문에 차량 자체에서 미세먼지가 발생 한다. 친환경 연료인 수소연료전지를 이용한다면 다음과 같은 목표를 달성할 수 있을 것이라 기대 된다.

   ⇒ 미세먼지 발생량 감소 및 제거량 향상
   ⇒ 친환경 연료인 수소연료전지 홍보

◇ 사물 인터넷 기술(IoT)의 발달로 인해 정보 접근이 용이해졌으므로, 도로 분진 흡입 청소차량, 미세 먼지 등에 대한 정보 등을 IoT 기술을 이용하여 홍보한다면 다음과 같은 목표를 달성할 수 있을 것 이라 기대된다. 이에 따라 시민 인지도 및 만족도를 향상시킬 수 있을 것이라 기대된다.

   ⇒ 해당 지역 미세먼지 농도 알림
   ⇒ 해당 농도에 대한 위해성과 예방법 알림
   ⇒ 도로 분진 흡입 청소차량의 운행 정보 알림 및 홍보

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 독일 : 자동차의 지붕에 커다란 대기 미세먼지필터와 브레이크에 미세먼지필터를 장착하고 도심지를 주행하면 지붕위의 대기 미세먼지필터는 대기중의 미세먼지를 빨아들이고 브레이크에서 발생하는 미세먼지는 브레이크필터로 흡입이 된다. 즉, 본인 자동차가 배출한 미세먼지는 최소한 배출한 만큼 자신의 자동차가 수거해야 한다는 논리이다.

◇ 독일 : 유로6 엔진 규격을 준수하여 미세먼지, 배기가스 발생이 없는 소형 도로청소차이다. 필터 대신 물을 사용하여 먼지를 제거하기 때문에 필터 막힘, 필터 손상, 필터 교체 비용 등이 발생되지 않아서 경제적이다. 물을 사용해서 먼지를 제거함으로 쓰레기통을 비울 때에도 먼지가 발생하지 않는다. 넓은 면적을 간편하고 신속하게 작업할 수 있어서 효율적인 차량이다. 그리고 이 차량은 도심도로에서도 사용할 수 있지만, 소형이므로 아파트 단지, 대형 공장외곽, 공항 등 대형 차량이 다닐 수 없는 장소에서도 먼지 제거가 가능하다.

◇ 중국 : 상하이에서 세계 최초로 무인 청소차량 시험 운행을 시작했다고 한다. 청소 차량은 길이 6m에 폭 3m의 중형 트럭을 개조한 것이다. 시속 10km 이하 속력으로 운행하며 장애물이 있으면 피하고 90도 코너도 자연스럽게 통과한다. 신호등 식별은 물론 출발부터 청소 완료 후 주차까지 자율주행으로 이루어진다. 운전자나 청소원은 일체 탑승하지 않는다. 차량 한 대당 가격은 약 5100만원으로 가격 경쟁력 또한 충분하다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

미세먼지 정보 알림 관련 특허

• 기술 로드맵

1) 이동통신

⇒ 과거 2G부터 3G까지의 이동통신은 음성 위주의 서비스 및 데이터 서비스의 시작점을 제공했던 반면에, 4G 이동통신에서는 본격적인 데이터 중심의 이동통신 서비스로의 큰 변화를 이루었다. 최근 콘텐츠별 무선 트래픽을 보면 동영상을 포함한 멀티미디어, 인터넷 등 몇 년 전만 해도 유선 통신에서만 제공 가능했던 서비스가 모바일 환경에서도 주된 콘텐츠로 자리잡게 되는 큰 변화가 있었다. 이러한 서비스 이용 패턴의 변화는 무선 네트워크가 3G에서 4G로 진화함으로써 전송 속도가 급속도로 향상되었고, 모바일 서비스 시장에서 차별적인 고객 경험을 제공하기 위한 많은 서비스들이 활발히 개발되었기 때문이다. 하지만, 이동 통신망의 진화는 여기에 그치 지 않고 2020년 상용화를 목표로 한 새로운 5G 이동통신에 대한 논의가 국내외에 본격적으로 진행되고 있다.

⇒ 본 과제는 5G의 사물인터넷(IoT) 기능에 초점을 맞추고자 한다. ‘사물인터넷’(Internet of Things) 이란, 주변에서 흔히 보고 쓰는 사물 대부분이 인터넷으로 연결돼 서로 정보를 주고받게 되는 것이다. 여기서 블루투스나 근거리무선통신(NFC), 센서데이터, 네트워크가 사물인터넷의 자율적인 소통을 돕는 기술이 된다. 사물인터넷의 표면적인 정의는 사물, 사람, 장소, 프로세스 등 유/무형 의 사물들이 연결된 것을 의미하지만, 본질에서는 이러한 사물들이 연결되어 진일보한 새로운 서비스를 제공하는 것을 의미한다. 즉, 두 가지 이상의 사물들이 서로 연결됨으로써 개별적인 사물들이 제공하지 못했던 새로운 기능을 제공하는 것이다.

⇒ 본 과제에서는 도로분진흡입차량과 미세먼지 농도를 알려주는 LED를 연결하여 새로운 기능을 제공하고자 한다. 현재 도로분진흡입차량은 도로의 분진을 제거하는 기능만 할 뿐, 주행 중 어떠한 정보를 제공하지 못한다. 도로분진흡입차량에 LED를 연결하여 도로분진흡입차가 운행 중인 지역의 미세먼지 농도와 해당 농도의 위해성, 정보 등을 제공할 수 있도록 하여 시민 만족도를 향상시킬 수 있도록 한다.

2) 도로분진흡입

◇ 기계식 청소차 기계식 청소차는 인력을 통한 청소방법인 빗자루를 이용하여 노면의 오염물질을 쓸어담는 방식을 기계장비로 변환한 형태의 장비이다. 기계식 청소차는 회전하는 브러시가 도로 위 오염물질을 컨베이어 시스템으로 밀어올리고, 이를 호퍼에 저장하여 제거하는 방식이다. 주로 도로 위의 입자가 큰 오염물질(쓰레기, 젖은 식물, 자갈, 큰 모래, 도로 먼지 등)을 제거하는데 효과적이기 때문에 미국 등 여러 나라에서 여전히 중요한 도로청소 장비로 이용되고 있다. 그러나 상대적으로 미세먼지 제거에 있어서는 취약하기 때문에 수질, 대기 관리 등 환경적인 측면에서는 한계가 있으며, 다른 방식에 비해 운영비용이 많이 소요되는 편이다. 최근 먼지발생을 억제하기 위해 소량의 물 분사를 동시에 수행하는 습식장비도 이용되고 있다. 최근에는 고효율의 청소장비가 개발됨에 따라 비중이 점차 감소하고 있는 추세에 있다.

◇ 일반살수차 일반살수차는 물 분사장치(노즐)를 통해 고압으로 도로의 토사 및 먼지 등을 빗물받이로 유출시켜 오염물질을 제거하는 방식으로 입경 60㎛ 이하의 실트 또는 점토질 입자를 제거하는데 효과적이다. 전면에 여러 개의 물 분사 장치가 있는 봉이 있으며, 측면의 한쪽 또는 양쪽에 타원형의 고압 물 분사 장치가 장착되어 있다. 살수과정에서 물 튀김이 있어 인근의 차량운전자와 보행자로부터 민원이 제기되기도 한다. 살수를 통해 제거된 오염물질은 도로면에서 사라질 뿐 관거를 통해 수계로 유출되기 때문에 비점오염관리 측면에서는 효과적이지 못하다. 이러한 일반살수차의 단점을 보완하기 위해 개발된 진공흡입식 살수차는 차량 전면의 물 분사장치에서 도로표면에 살수한 물을 차량 중간에 설치한 진공흡입구를 통해 회수하는 방식이다. 그러나 진공흡입구를 차량의 폭 이상으로 확대할 수 없어 살수한 물을 전량 회수하는 것이 불가능하고, 수거된 폐기물 적재공간으로 인해 청소용수 공간이 부족해지는 등의 문제점이 있다.

◇ 진공흡입식 청소차 진공흡입식 청소차는 탑재된 보조엔진의 모터장치가 만들어내는 진공상태를 이용하여 노면의 오염물질을 제거하는 방식이다. 진공청소차는 다시 공기순환식과 공기배출식으로 구분할 수 있다. 공기순환식은 차량 내부가 폐쇄형 공기순환시스템으로 이루어져 있으며, 청소차에 장착된 측구 브러시가 노면의 오염물질을 흡입구로 이동시키면, 강력한 공기를 분사하여 오염물질을 진공장치로 이동시켜 제거한 후 오염물질을 호퍼에 적재한다. 즉, 연속여과시스템을 가진 고압 진공이 오염물질을 제거하고 공기를 재순환하는 방식이다. 한편, 공기배출식은 차량의 측면에 위치한 흡입구를 통해 오염물질을 흡입하여 적재하고, 흡입한 공기는 다시 밖으로 배출한다. 공기배출식은 필터장착 여부에 따라 다시 구분하는데, 필터를 장착하면 미세입자를 제거하는데 유리하지만, 흡입압력을 증대시키기 위해 많은 에너지가 소모되는 단점이 있다. 따라서 미세입자를 제거하기 위해서는 필터를 장착한 진공청소차가 유리하며, 많은 양의 조대입자를 제거하기 위해는 필터를 장착하지 않은 진공청소차가 유리하다. 필터장착 진공청소차는 미세입자의 비산을 막기 위해 브러시를 사용하지 않기도 한다. 국내에서는 진공청소차 중 필터미장착 진공청소차를 노면청소차, 필터장착 진공청소차를 분진흡입차라고 지칭하고 있다.

◇ 수소차 + 분진흡입청소차 – 현재(설계과제) 분진흡입청소차를 친환경연료인 수소자동차로 전환을 추진함으로써 보다 더 완벽한 도로 미세먼지를 집진하고, 집진에 필요한 전력을 수소연료전지로 한다. ⇒ 원리 수소연료전지차량은 수소와 산소의 화학반응을 통해 차량 내에서 자체 생산된 전기로 모터를 구동하여 주행한다.(물의 전기분해를 통해 수소와 산소를 얻는 것과 반대) 전기생산 단계는 다음과 같다. 1단계: 수소탱크에 저장된 수소가 수소연료전지 스택으로 공급 2단계: 유입된 산소가 수소연료전지 스택으로 공급 3단계: 수소연료전지 안에서 산소와 수소가 화학반응을 통해 전기생산 4단계: 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급 & 물을 외부로 배출 ⇒ 특징 - 이론상 수소에너지의 효율성은 85%로 매우 높은 수준이다. - 배기가스를 방출하는 가솔린 엔진과 달리 물을 방출하는 친환경에너지이다. - 1회 충전시 약 450km의 높은 주행거리를 갖는다. - 연료 무게가 상대적으로 가볍기 때문에 대형차에 적용이 가능하다. - 촉매인 백금이 비싸다. - 현재는 수소충전소가 부족하여 인프라 구축이 필요하다.

◇ 소형차 / 드론 - 미래 현재 분진흡입차량은 주로 대형으로 제작되어 큰 도로에서 운영 되고 있으며 수소연료전지차량 또한 대형차량에 더 적합한 구조를 갖는다. 기술발전으로 집진장치의 소형화와 수소차량의 효율성을 더 높일 수 있다면 미세먼지 제거를 목적으로 하는 소형차 개발도 가능할 것이라고 본다. 소형차는 대형차의 진입이 어려운 주택가의 미세먼지 제거를 가능하게 할 것이다. 무게를 줄인다면 소형차량을 넘어서 드론에도 적용할 수 있다. 드론은 상공에서의 집진이 가능하기 때문에 새로운 영역에서의 대기정화를 기대할 수 있으며 이동이 자유롭다.

시장상황에 대한 분석

*경쟁제품 조사 비교

◇ 분진 흡입차량의 경우, 정부의 미세먼지 저감 정책에 해당한다. 그러므로 우리는 제품이 아닌 다른 미세먼지 저감 정책과 비교를 하려 한다.

◇ 대중교통 무료 정책 : 초미세먼지가 ‘나쁨’ 수준으로 예보될 시 첫차~09시, 18~21시에 대중교통을 무료로 운영하는 정책이다. 2018년 1월 15일, 17일, 18일에 시행하였는데, 하루에 48억 원 비용이 든다는 실효성 논란으로 인해 대중교통 무료 정책을 2달을 넘기지 못하고 중단되었다.

◇ 차량 부제 운행 : 하루씩 번갈아가며 어느 특정 그룹으로 묶을 수 있는 차량의 운행을 제한하는 제 도이다. 초미세먼지가 ‘나쁨’ 수준으로 예보될 시, 공공에서는 강제로 시행하고, 민간에는 자율로 맡 겼다. 효과는 주요 지점 교통량이 1.8% 감소, 지하철 이용자 2.3% 증가, 시내버스 0.4% 증가에 그쳤 다. 이 정책은 강제로 이루어 질 수 없고, 사회적 합의가 필요하므로 일방적으로 확대할 수 없다고 한다.

◇ 노후경유차 운행제한 제도 : 2018년 6월1일부터 ‘서울형 미세먼지 비상저감 조치’가 발령되는 날 아 침 6시부터 밤 9시까지 서울 전 지역에서 저공해 장치 부착차량을 제외한 노후 경유차의 운행을 제 한하는 제도이다. 대상이 되는 차량은 2005년 12월31일 이전에 등록된 노후 경유 차량이다. 운행제 한을 어기면 도시교통정비촉진법에 따라 과태료 10만원이 부과된다. 그러나 문제는 시민불편이다. 노후 경유차의 이용자 상당수가 영세자영업자들로 전면적인 운행제한이 실시되면 이들이 타격을 입 을 수밖에 없기 때문이다.

◇ 미세먼지 마스크 무료 배급 정책 : 미세먼지가 극심할 것이라 예상될 때, 미세먼지 비상저감조치를 시행한다. 미세먼지 비상저감조치는 16시간 동안 미세먼지 평균 농도가 ‘나쁨’ 수준이고 다음날에도 유지될 것으로 예상될 때 발령된다. 2018년 3월 26일, 27일에 경기도내 간선급행버스 185대 안에 배부함을 설치하여 이용객에게 1회용 미세먼지 마스크 1만 8000개를 지급했다. 처음으로 일반 시민 에게 미세먼지 마스크를 무상 제공한 정책이지만 전 노선에 지급하지 않은 점, 전 노선에 하루 설 치비용이 22억 원 정도가 소요되는 점, 미세먼지를 저감하지 않는 점 등에서 한계가 있다.

◇ 기존의 분진 흡입차량 : 하루에 24kg 정도의 미세먼지를 집진할 수 있으며 전국 시·도에서 시행을 확대하는 추세이다. 하루에 수십억이 소요되는 다른 정책에 비해 2억~2억 5000만 원 정도의 구매 비용으로 수십 년을 사용할 수 있으므로 매우 저렴하다고 할 수 있다. 하지만 분진 흡입차량 자체 에서의 미세먼지가 발생하고 해당 정책에 대한 시민들의 인식도가 매우 낮아 현재 시민 만족도는 낮아 한계가 있다.

• 마케팅 전략 제시

◇ 수소연료전지를 대형차에 적용하고, 수소연료전지에서 발생한 전기로 집진장치를 가동할 수 있게 하는 수소연료전지차량을 사용할 것이다.

◇ PM2.5까지 제거할 수 있는 집진장치를 사용하여 PM2.5, 황사, PM10 모두 제거할 수 있도록 한다.

◇ 설계한 집진차량을 운영할 장소는 기본적으로 미세먼지 배출이 심한 큰 도로일 것이고, 그 중에서 도 인도 주변 차선에서 차량을 운영할 수 있도록 할 것이다.

◇ 장점과 단점, STP(Segment, Targeting, Positioning)방식을 이용하여 본 설계 작품을 분석해 마케팅 전략을 수립하고자 한다.

장점과 단점 분석

STP 분석

◇ 시장의 세분화, 목표고객 설정, 경쟁 대안과의 비교를 통하여 마케팅 전략(STP)을 세운다. ⇒ 시장 세분화(Segment) : 기존의 분진 흡입차량은 전국 지방자치단체에서 구입 및 관리하므로 지리 적으로 시장을 세분화한다. 행정구역별로, 85개 시, 75개 군으로 세분화한다. ⇒ 목표고객 설정(Targeting) : 국립환경과학원의 2015년 대기오염물질 배출량 통계 자료의 도로이동오 염원으로 인한 PM2.5의 배출량을 기준으로 상위 3개 시·군을 선정하였다.(서울특별시, 대구광역시, 인천광역시) 그리고 위와 같은 방식으로 해당 도시에서의 상위 3개 구를 선정하였다. 그 결과를 아래 표에 나타내었다.

⇒ 경쟁 대안과의 비교(Positioning) : 두 가지 주요 가치를 정하여 경쟁 대안과 본 설계 작품을 효과적으로 비교한다. 본 설계 작품은 미세먼지를 제거하는 차량이고 다른 미세먼지 저감 정책과의 비교를 위해 미세먼지의 제거량과 저감량의 합을 첫 번째 주요 가치로 선정한다. 또한 정책은 시민들의 세금으로 운영되므로 시민들의 정책 만족도를 두 번째 주요 가치로 선정한다. 선택된 두 가지 가치를 각각 x축과 y축으로 설정하고 경쟁 대안들을 positioning map에 위치시킨다. 고객의 니즈를 만족시킬 이상점을 파악하고 그 위치에 도달하기 위해 필요한 전략을 수립한다.

마케팅 전략 수립

◇ 현재 다른 대체 정책들도 존재하지만, 대부분 시민의 만족도가 높지 않거나, 제거량 및 저감량 자체가 높지 않다. 따라서 고객의 니즈를 만족시킬 이상점에 도달하기 위해서는 다음과 같은 두 가지의 전략을 본 설계 작품의 분석을 통해 도출했다.

◇ 시민의 만족도를 향상시키기 위한 전략

⇒ 설계 차량이 미세먼지 제거 차량임을 명시하여 정책의 인지도를 높인다.
⇒ 설계 차량 운행 시, 해당 구역 미세먼지 농도 수준을 색으로 표현하여 시민들에게 심각성을 재고하고 빠른 대처를 가능하게 한다.
⇒ 설계 차량에 QR code를 부착하여 미세먼지에 관한 정보 혹은 각종 이벤트를 시행한다. 

◇ 미세먼지 제거량 및 저감량을 향상시키기 위한 전략

⇒ 수소연료전지차량은 기존의 자동차와 다르게 운행 중에 미세먼지가 발생하지 않으며 운행 시 미세먼지를 집진하여 깨끗한 공기를 배출시킨다. 집진장치를 작동시키지 않고 운행하는 것만으로도 디젤 자동차 50대에서 나오는 미세먼지를 제거할 수 있다. 따라서 수소연료전지를 이용하여 미세먼지 집진 차량을 운행하면 기존의 분진 흡입차보다 좋은 미세먼지 제거 효율과 이미지를 가질 수 있다.
⇒ 수소연료전지차량은 친환경연료로 위에서 설명한 장점들을 가지고 있다. 또한 차량 실내 공기질 개선시킬 수 있다는 점을 본 설계작품을 통해 홍보한다면 국민들에게 수소연료전지 차량을 선택하도록 권장할 수 있다. 또한 수소연료전지는 현 정부의 미세먼지 저감 정책과 친환경연료 정책에 부합하며 친환경연료 차량 이용자 수 증대로 인한 2차 효과까지 누릴 수 있을 것이라 기대된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 미세먼지 농도가 특히 높은 지역을 유동적으로 이동하여 미세먼지를 제거하기 때문에 효율이 높다.

◇ 현재 미세먼지의 농도를 색으로 구분하여 보여줌으로써 쉽게 시민들에게 미세먼지의 심각성을 알려 줄 수 있다.

◇ 수소연료전지 기술을 활용함으로써 해당 기술이 다양한 분야로 확장이 가능할 것이라고 생각된다.

◇ 친환경 에너지 시장 발전에 기여할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 수소연료전지 차량을 홍보함으로써 자연친화적인 차량을 운행할 수 있도록 권장할 수 있다.

◇ 개개인이 할 수 있는 미세먼지 예방법 혹은 본인의 건강을 보호할 수 있는 방법을 알려줌으로써 사소하게 생길 수 있는 미세먼지를 줄이고, 개개인의 건강을 증진시킬 수 있다.

◇ 초미세먼지 농도를 35μg/m3 이하로 낮춤으로써 국민건강 증진에 기여할 수 있다.

◇ 초미세먼지의 경우 10μg/m3 감소 시 전체 사망이 약 4.5% 감소하고, 호흡기계 질환 사망이 8.4% 감소하고, 심혈관계 질환 사망이 6.2% 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

◇ 대기 중 미세먼지의 경우 10μg/m3 감소 시 전체 사망률이 약 0.8% 감소하고, 호흡기계 질환 사망 이 4.5% 감소하고, 심혈관계 질환 사망이 3.1% 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

◇ 여기서 수소연료전지의 경우, <이론적 계산>에서 설명한다.

설계 사양

-집진장치를 작동시킬 경우, 여유 출력 : 100마력(75kW) 이상 확보
-수소차 공기필터의 공기 흡입량 : 20m3/min 이상

개념설계안

Ⅰ. 미세먼지 농도 측정기를 통해 받아들인 미세먼지 농도를 시민들에게 디자인을 통해 쉽게 알아볼 수 있도록 하는 방법

⇒ 집진장치 박스 앞뒤에 LED 띠를 둘러 미세먼지 예보 등급에 따라 파랑, 초록, 노랑, 주황, 빨강으로 구분하여 보여준다.

Ⅱ. 미세먼지에 대한 정보 제공과 친환경 차량(수소연료전지차량)에 관해 홍보를 할 수 있는 방법

⇒ QR코드는 새로운 결제 수단으로 중국과 국내에서 유용히 사용되고 있다. QR코드를 통해 시민들이 정보를 얻기를 원할 때 쉽게 정보를 얻어갈 수 있도록 한다.

Ⅲ. 친환경차량을 이용하는 방법

⇒ 현재 대표적인 친환경 차량으로는 전기자동차와 수소자동차가 있다. 수소자동차의 경우 연소 과정에서 미세먼지가 전혀 발생하지 않으며 연소과정을 위해 미세먼지 집진 기능을 수행한다. 또한 대형차의 경우 수소연료전지를 이용하는 것이 적합하다. 따라서 수소연료전지를 이용한다. 

◇ 사물인터넷기술(IoT)을 이용해 미세먼지 제거 기능뿐만 아니라 미세먼지 정보, 친환경 차 정보 등을 제공할 수 있도록 한다.

◇ 설계사양을 만족하고, 위의 방법을 적용시킨 개념설계안을 아래 그림에 나타내었다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 프로젝트의 목표 중 하나인 수소연료전지를 이용한 집진기 가동 가능 여부를 판단하기 위해 전력소모량을 계산해보고자 한다. 먼저 사용가능한 전체 전력량을 알고, 세부 사항의 소모량을 계산하여 합했을 때 전체 전력량을 초과하는지의 여부로 판단한다. 세부사항1은 집진기 가동을 위한 전력량, 2는 LED 사용을 위한 전력량에 해당한다. 또한 수소연료전지를 도입했을 경우 얻을 수 있는 이익을 알기 위해 미세먼지 제거량의 증가율을 계산한다.

◇ 실제차량

1. 현재 현대자동차에서 개발 중인 수소전기 대형 트럭의 최대 출력은 353kW이다.
2. 평균 속도 24km/hr에서 대형차(버스, 트럭)의 요구출력은 79kW이다. 여기에 모터효율 90%, 전력변환 효율 93%, 운전장치 소비 출력 20%를 고려한 연료전지 스택 여유출력은 113kW이다.
3. 기존의 필터방식 도로분진흡입차량의 집진기 가동을 위한 여유출력은 약 76kW이다.
4. W=AV      
- 시중에서 보통 사용 중인 LED의 사양은 50mm*10mm 3구에 12V, 60mA이다.
- 차량 사이즈에 근거하여 LED띠의 길이는 약 600cm, 폭은 10cm로 하여 계산하면 길이에 해당하는 LED의 개수는 360구, 폭에 해당하는 LED개수는 10구로 띠 하나당 3600구를 갖는다. 차량에는 앞뒤로 하나씩 2개의 LED띠가 장착되므로 총 7200구의 LED가 소요된다.
- 병렬연결을 기본으로 하므로 전류가 플러스 되어 144000mA가 필요하다.
- 따라서 필요한 전력은 1728W이다. 
- 실제 가동에는 안전을 위해 30% 정도의 여유율을 두어야 하므로 2470W에 해당한다.  
5. 집진기 가동을 위한 전력량과 스택 여유출력, LED 사용을 위한 전력량의 합은 약 190.5kW로 주어진 최대한도 353kW를 넘지 않으므로 수소연료전지 차량을 이용한 도로분진흡입차량의 운행을 정상적으로 할 수 있다는 결론을 얻었다.
최대출력 〉 연료전지 스택출력 + 집진기 출력 + LED 출력

◇ 모형차량

- 사용된 LED의 사양은 12V, 1구에 약 20mA이다.
- 우리 조는 총 24구의 LED띠를 이용하여 모형차를 제작하였으며 약 480mA가 
 필요하다. 여유율 30%를 적용하면 약 690mA에 해당한다. 
- 모형 자동차의 LED를 건전지로 가동하기 위해  1.5V AA건전지 8개를 직렬 연결하여 12V를 
 만들었으며, AA건전지 한 개는 약 2000mA로 3시간 정도 사용할 수 있다. 

◇ 기존 분진흡입차량의 미세먼지 제거량

- 2017년 운행 된 분진흡입차량 100대의 전체 분진양은 552ton/년이고, 이 중 PM10 함량은 11%,PM2.5 함량은 2.5%이다. 따라서 100대 기준 PM10 58ton/년, PM2.5 16.5ton/년이고 총합 74.5ton/년이다. 분진 흡입차량 1대 기준은 745kg/년에 해당한다.
- 2017년 분진흡입차량 운행 일수는 100일이다. 즉 한 대당 7.45kg/년이다.
- 분진흡입차량에 장착되는 보조엔진의 경우 56.5g/일의 미세먼지를 배출한다. 따라서 분진흡입차량의 최종 미세먼지 제거량은 7.3935kg/일로 계산된다.
 

◇ 수소연료전지를 이용한 분진흡입차량의 미세먼지 제거량

- 수소차량 1대의 연간 대기오염물질 제거량은 880kg/년이다.
- 미세먼지 함량은 분진흡입차량의 경우와 동일하게 13.5%(=11%+2.5%)로 한다.
 따라서 수소차량을 도입할 경우 하루에 제거되는 미세먼지 제거량은 0.3255kg/일이다. 
- 미세먼지 제거량은 기존 대비 약 4.4%증가한다.
- 수소차량의 출력 113kW로부터 흡입 풍량이 6000L/min이라는 결과를 얻을 수 있다.
- 65kg 성인 한 명의 호흡량을 10L/min으로 가정하면 차량 한 대당 600명이 마실 수 있는 공기를 정화할 수 있다.

상세설계 내용

조립도

◇ 본 설계 과제 실제 전체적인 크기를 조립도로 나타낸다.

부품도

◇ 본 설계 과제 핵심 부품의 실제 크기를 부품도로 나타낸다.

◇ QR code

◇ LED 띠

제어부 및 회로설계

◇ 아두이노를 이용한 LED 제어 기술을 제어부 및 회로설계에서 설명한다.

◇ 전체적인 순서는 다음과 같다.

1. 미세먼지 센서를 이용하여 대기 중 미세먼지 농도 정보를 얻는다.
2. 미세먼지 농도 정보를 아두이노에서 받아들인다.
3. 미세먼지 농도 정보를 LED로 출력한다. : 미세먼지 농도에 따라 색이 변하는 방법으로 출력한다.
4. LCD로 정보 출력 : 표현하고자 하는 정보를 출력한다.

◇ 아두이노 설계를 위한 프로그램인 Fritzing을 이용하여 회로도와 스케메틱을 그린다.

◇ 회로도는 실제 아두이노의 설계 모습이며, 스케메틱은 설계의 흐름을 회로도보다 보기 쉽게 표현한 것이다.

◇ 회로도와 스케메틱을 이용하여 시연물을 제작하였다.

소프트웨어 설계

아두이노를 이용한 LED 제어 코딩

◇ 아두이노를 이용한 LED 제어 기술을 코딩한다. 순서 및 방식은 제어부 및 회로도와 동일하다.

◇ 아두이노 보드와 LED, 미세먼지 센서의 연결을 위한 코딩

◇ LCD 출력을 위한 코딩

◇ 미세먼지 농도 값 계산을 위한 코딩

◇ 미세먼지 농도에 따른 LED 색 변환을 위한 코딩

웹사이트 설계

◇ QR code와 연결하여 시민들이 웹사이트에 쉽게 접근할 수 있도록 한다.

◇ 웹사이트에서는 실시간 미세먼지 농도 정보와 함께 미세먼지 피해 예방법, 미세먼지에 대한 정보,수소자동차에 대한 정보를 제공한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

◇ 도로분진흡입차량에 미세먼지 센서를 장착하여 시민들에게 실시간으로 차량 근처의 미세먼지 농도를 LED와 QR code를 통해 알려줄 수 있다면, 시민들의 정책 만족도가 크게 증가할 것으로 예상되어진다.
◇ 에어코리아에서 제공 되어지는 미세먼지 농도 자료와는 달리, 미세먼지 센서를 통해 실시간으로 시민들이 위치하고 있는 장소의 미세먼지 농도를 제공할 수 있다.
◇ 실시간 미세먼지 농도 자료와 함께, 그 농도에 알맞은 예방법 혹은 대응법을 QR code로 연결된 웹사이트를 통해 제공할 수 있다.
◇ 미세먼지 제거에 효과가 있는 수소연료전지차량을 이용하여, 수소연료전지차량을 이용할 경우 도로 위 미세먼지를 제거하는 데 일조할 수 있다는 것을 홍보를 할 수 있다. 
◇ 수소연료전지차량을 이용하여 현재 도로분진흡입차량에 비해 미세먼지 제거량이 늘어날 것이다.